劉文崗

(甘肅省天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，天水 741024)

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數(shù)控機(jī)床定位精度的檢測(cè)與誤差分析

劉文崗

(甘肅省天水星火機(jī)床有限責(zé)任公司，天水 741024)

本文介紹了雙頻激光干涉儀的工作原理及齒條和絲杠傳動(dòng)車床的基本構(gòu)成，利用激光干涉儀對(duì)車床定位精度的檢測(cè)，分析車床的運(yùn)動(dòng)精度誤差，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車床的傳動(dòng)部件做必要的調(diào)整，再對(duì)調(diào)整后的機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)定位誤差得出相應(yīng)數(shù)控系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償數(shù)值，利用數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能對(duì)機(jī)床定位進(jìn)行補(bǔ)償，以使機(jī)床的定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

雙頻激光干涉儀；數(shù)控車床；誤差分析；定位精度

0 引言

我公司是專業(yè)生產(chǎn)車床的裝備制造企業(yè)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，普通機(jī)床已滿足不了較高的精度加工要求，逐漸被數(shù)控機(jī)床所代替。數(shù)控機(jī)床的精度直接影響加工工件的質(zhì)量，其加工精度的高低主要取決于本身的定位精度，定位精度的檢測(cè)是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的重要方法之一，也是實(shí)現(xiàn)螺距誤差補(bǔ)償?shù)谋仨毉h(huán)節(jié)。高精度儀器在線測(cè)量系統(tǒng)成為檢測(cè)定位精度的技術(shù)關(guān)鍵，在控制數(shù)控機(jī)床達(dá)到定位精度要求、重復(fù)定位要求、換向差的技術(shù)要求等方面都具有重要的意義。傳統(tǒng)的測(cè)量誤差方法分辨率低，受環(huán)境的影響大，不僅固有的系統(tǒng)誤差影響機(jī)床精度，而且低分辨率在測(cè)量過(guò)程中引起的誤差也大。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床定位精度的檢測(cè)國(guó)際認(rèn)同采用高分辨率的雙頻激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量，雙頻激光干涉儀可以盡可能小的消除自身系統(tǒng)誤差，對(duì)測(cè)量機(jī)床結(jié)構(gòu)誤差以及環(huán)境誤差等方面進(jìn)行誤差來(lái)源分析、并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。采用XL-80雙頻激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度檢測(cè)、分析誤差來(lái)源并進(jìn)行必要的誤差補(bǔ)償，提高機(jī)床制造精度，有非常重要的實(shí)際意義。

1 雙頻激光干涉儀工作原理

1.1 測(cè)量原理

圖1為雙頻激光干涉儀的工作原理，在氦氖激光器上加上一個(gè)約0.03T的軸向磁場(chǎng)。由于賽曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng)，激光器產(chǎn)生f1和f2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光，經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光，再經(jīng)分光鏡分為兩路光，一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束，另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路為僅含有f1的光束，另一路成為僅含有f2的光束，當(dāng)可動(dòng)反射鏡位移時(shí)，含有f的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后，成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率，正負(fù)號(hào)表示位移的方向，這路光束和固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光束經(jīng)偏振片2后成為f1-(f2±Δf)的測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件放大器，整理后進(jìn)入減法器相減，輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)，經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器后，有電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換標(biāo)(乘1/2激光波長(zhǎng))后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻率上，對(duì)自由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)，常用于數(shù)控機(jī)床定位精度檢測(cè)等。

圖1 激光干涉儀的工作原理

1.2 測(cè)量過(guò)程誤差分析

XL-80雙頻激光干涉儀雖然是檢測(cè)定位精度的高精度計(jì)量?jī)x器，但在使用過(guò)程中會(huì)受環(huán)境、安裝、誤差和線膨脹系數(shù)不準(zhǔn)確等因素的影響，從而降低了測(cè)量精度，激光干涉儀在機(jī)床定位檢測(cè)中誤差包括：

1)雙頻激光干涉儀的極限誤差Δ1

Δ1=±5×10-7×L

(1)

式中，L為測(cè)量長(zhǎng)度(m)。

2)安裝誤差Δ2

Δ2=±L×(1-cosθ)

(2)

式中，θ為測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)的軸線之間的夾角。

3)環(huán)境誤差Δ3

(3)

式中，δi為機(jī)床溫度測(cè)量誤差；a為機(jī)床材料線膨脹系數(shù)；δa為線膨脹系數(shù)測(cè)量誤差。

安裝誤差由于檢測(cè)前已經(jīng)將雙頻激光干涉光路調(diào)為準(zhǔn)直，即測(cè)量軸線與機(jī)床移動(dòng)的軸線之間的夾角θ值趨于0，故安裝誤差Δ2可忽略不計(jì)；因?yàn)閄L-80雙頻激光干涉儀自身帶有環(huán)境補(bǔ)償器(XC補(bǔ)償單元)Δ3也可以忽略不計(jì)，但是一定要連接好材料溫度傳感器和空氣溫度傳感器等。即測(cè)量誤差

(4)

2 測(cè)量方法

2.1 安裝雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)

雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)的安裝如圖2所示。由于本文沒(méi)有針對(duì)確定的機(jī)床類型作為檢測(cè)的目標(biāo)，在使用激光干涉儀檢測(cè)時(shí)可根據(jù)所檢測(cè)目標(biāo)機(jī)床的結(jié)構(gòu)靈活運(yùn)用，該檢測(cè)設(shè)備所帶附件可任意安裝在水平運(yùn)動(dòng)方向和垂直運(yùn)動(dòng)方向上，只需根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向調(diào)整光路便可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)要求。

圖2 激光干涉儀檢測(cè)時(shí)的安裝圖示

2.2 光學(xué)測(cè)量裝置的安裝

在需要測(cè)量的數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向上安裝光學(xué)測(cè)量裝置，如圖3所示。圖示顯示的是測(cè)量時(shí)的光學(xué)組件的安裝順序和光路原理，根據(jù)機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向，需要把線性反射鏡安裝在運(yùn)動(dòng)的一側(cè)，線性干涉鏡安裝在床身固定的一側(cè)，按照光路原理調(diào)整至檢測(cè)狀態(tài)。

圖3 測(cè)量光路原理及組件安裝示意圖

2.3 數(shù)控機(jī)床定位精度數(shù)據(jù)分析及誤差來(lái)源和補(bǔ)償

數(shù)控機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的定位精度是衡量機(jī)床質(zhì)量的重要綜合反映，定位精度評(píng)定依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 17421·2—2000規(guī)定，定位精度還包含重復(fù)定位精度和反向偏差(換向差)即定位精度A的定義為

(5)

式中，箭頭↑、↓分別表示正方向和反方向；Xi為第i點(diǎn)測(cè)得的實(shí)際位置；第i點(diǎn)的位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估算值Si↑定義為

(6)

Si↓的定義與此類似，n為一個(gè)方向的測(cè)量次數(shù)，某一點(diǎn)重復(fù)定位精度誤差Ri↑定義為：Ri↑=4Si↑，Ri↓的定義與此類似。

某軸線重復(fù)定位精度誤差為各測(cè)量點(diǎn)重復(fù)定位精度誤中的最大，即

R=(Ri)max

(7)

2.4 影響重復(fù)定位精度的因素

影響重復(fù)定位精度的因素很多，在檢測(cè)過(guò)程中可根據(jù)繪制出的曲線類型來(lái)定性的分析其產(chǎn)生的原因，還要比較熟悉機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，這樣可快速的判斷具體是那個(gè)部位需要做出相應(yīng)的調(diào)整。一般機(jī)床都是滾珠絲杠或者齒條傳動(dòng)，對(duì)于行程較短的絲杠傳動(dòng)機(jī)床，如果出現(xiàn)重復(fù)定位精度超出了要求，可考慮調(diào)整絲杠兩端軸承安裝的正反以及絲母體的松緊程度，還有床身與床鞍間的梢鐵塊以及壓板是否在正確的位置，以及伺服電機(jī)與絲杠間的聯(lián)軸節(jié)的連接狀況或者傳動(dòng)皮帶的松緊程度，調(diào)整至合適部位可繼續(xù)測(cè)量，直到測(cè)量完成；對(duì)于行程較長(zhǎng)的齒條傳動(dòng)，最容易產(chǎn)生重復(fù)定位超差的問(wèn)題，但是這種問(wèn)題也比較容易排除，因?yàn)槠鋫鲃?dòng)只是減速箱上的傳動(dòng)齒輪與齒條的嚙合，如果出現(xiàn)重復(fù)定位不符合要求的問(wèn)題，可調(diào)整減速箱與床鞍間的間隙，至適當(dāng)位置進(jìn)行檢測(cè)直到工作完成。

2.5 常見(jiàn)的幾種定位精度圖形曲線分析及誤差來(lái)源

經(jīng)過(guò)多年的對(duì)數(shù)控機(jī)床出廠前定位精度檢測(cè)，總結(jié)出如下幾種誤差曲線，根據(jù)圖形判斷其影響定位精度的因素。

2.5.1 遞減曲線

圖4顯示在檢測(cè)過(guò)程中，各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的誤差呈線性負(fù)增加，這表明機(jī)床實(shí)際行程小于理論行程。

圖4 定位精度遞減曲線

1)激光干涉儀檢測(cè)系統(tǒng)本身的調(diào)整誤差，光源準(zhǔn)直調(diào)整不平行，或者是材料熱膨脹系數(shù)設(shè)置不正確。

2)機(jī)床可能的誤差源，如果機(jī)床裝有光柵尺，可能是光柵尺沒(méi)有拉緊造成的，如裝有編碼器的可能是編碼器聯(lián)軸節(jié)造成的，裝有伺服電機(jī)可能是滾珠絲杠沒(méi)有拉緊造成的。對(duì)于Z向可能是床鞍上的壓板過(guò)緊，對(duì)于X向可能是鑲條位置發(fā)生竄動(dòng)等。

2.5.2 遞增曲線

圖5顯示在檢測(cè)中各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)誤差呈線性正遞增，這說(shuō)明機(jī)床實(shí)際行程大于理論行程。

圖5 定位精度遞增曲線

1)分析誤差正增加的可能原因：激光干涉儀設(shè)置上可能存在熱膨脹系數(shù)不正確的問(wèn)題，材料溫度測(cè)量不準(zhǔn)確導(dǎo)致的材料溫度補(bǔ)償誤差。

2)機(jī)床方面可能產(chǎn)生誤差源：對(duì)于裝有光柵尺的，尺子可能過(guò)于太緊，放松點(diǎn)尺子一般調(diào)試2～3次即可達(dá)到相對(duì)的要求，這里要注意尺子放松的多一點(diǎn)，然后再緊一下，這樣可消除間隙。對(duì)于裝有滾珠絲杠的檢查絲杠裝的松緊程度使螺距偏差變大，那么調(diào)整絲杠松緊即可，或是滾珠絲杠螺距誤差本身過(guò)大造成的。

2.5.3 間隙曲線

圖6顯示定位精度的正向曲線和反向曲線存在較大的間隙，產(chǎn)生這種問(wèn)題的原因及解決方法：

圖6 定位精度間隙曲線

1)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)有不當(dāng)?shù)姆较蚱钛a(bǔ)償，床鞍與床身導(dǎo)軌之間存在間隙，滾珠絲杠安裝有軸向竄量，即滾珠絲杠與絲母體有間隙，也就是說(shuō)滾珠絲杠移動(dòng)時(shí)，連接絲母體的床鞍(Z向)或滑板未動(dòng)而產(chǎn)生的誤差(X向)。

2)取消相反的反向誤差補(bǔ)償數(shù)值。

2.5.4 喇叭口型曲線

圖7顯示正向遞增，反行卻遞減呈喇叭口形狀。產(chǎn)生誤差的主要原因是：對(duì)于Z向安裝滾珠絲杠兩邊軸承支撐架和滾珠絲杠絲母體不在同一軸線上而產(chǎn)生的扭力導(dǎo)致，也可以說(shuō)，滾珠絲杠與床身導(dǎo)軌不平行產(chǎn)生的夾角，安裝有編碼的可能是連接軸跳動(dòng)過(guò)大而產(chǎn)生扭曲造成的。對(duì)于X向，安裝的滾珠絲杠不平行于床鞍基準(zhǔn)面，梢鐵太緊，或者是滾珠絲杠自身強(qiáng)度不夠等。

圖7 定位誤差喇叭口型曲線

2.5.5 臺(tái)階型曲線

圖8顯示清楚的臺(tái)階形狀，或上或下，沿軸線長(zhǎng)度及按一定的間隔出現(xiàn)臺(tái)階型曲線可能的原因，由于機(jī)床加工的工件比較長(zhǎng)，所以也就要求制造行程較長(zhǎng)的機(jī)床，這樣絲杠就滿足不了行程較長(zhǎng)機(jī)床的生產(chǎn)需求，因而一般行程長(zhǎng)的臥式車床傳動(dòng)大多采用齒條與齒輪減速箱體傳動(dòng)，由于齒條也不能太長(zhǎng)，所以由若干齒條組成較長(zhǎng)的傳動(dòng)裝置，齒條連接不好，某一段安裝不平行于導(dǎo)軌，齒條與齒輪減速箱嚙合間隙不好等就會(huì)產(chǎn)生如上曲線誤差，可根據(jù)具體數(shù)據(jù)找出對(duì)應(yīng)位置，從而排除影響定位精度的原因。

圖8 定位精度臺(tái)階型曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床定位精度有效的檢測(cè)和對(duì)影響定位精度的分析，不但可以節(jié)約人力、物力而且大大提高裝配員工的勞動(dòng)效率，同時(shí)對(duì)提高數(shù)控機(jī)床精度有重要的意義。通過(guò)雙頻激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)雙頻激光干涉儀通過(guò)對(duì)環(huán)境及材料溫度誤差補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度，為了確保材料傳感器及空氣傳感器等對(duì)目標(biāo)正確的測(cè)量及補(bǔ)償，所以必須定期對(duì)雙頻激光干涉儀檢定。

2)數(shù)控機(jī)床定位精度的檢測(cè)可由雙頻激光干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有測(cè)量范圍大以及精度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

3)誤差螺距補(bǔ)償方式能夠有效的改善數(shù)控機(jī)床定位精度。注意，螺距補(bǔ)償不能改變重復(fù)定位精度，所以就必須首先要改善影響重復(fù)定位精度的因素。

4)檢測(cè)過(guò)程中，振動(dòng)將直接影響著數(shù)控機(jī)床定位精度檢測(cè)，所以進(jìn)行機(jī)床定位精度檢測(cè)時(shí)，應(yīng)確保機(jī)床周圍無(wú)振動(dòng)源。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.05.25